有效能與過程的熱力學分析

崔洪友山東理工大學化工學院2007-12-09化工熱力學Chem.Eng.Thermodynamics上節(jié)內(nèi)容回顧熱力學第一定律熱力學第二定律第六章流動系統(tǒng)的熱力學基本原理及應用§6.4有效能及過程熱力學分析主要內(nèi)容：引言有效能、無效能理想功、損失功及其計算有效能的計算有效能與理想功的區(qū)別與聯(lián)系引言能量不僅有數(shù)量、而且有質(zhì)量（品位）。例如，1kJ功和1kJ熱，從熱力學第一定律來看，它們在數(shù)量上是相等，但從熱力學第二定律來看，它們的質(zhì)量并不相等，功可以全部轉化為熱，而熱不能全部轉化為功。學習目的：掌握一些基本的概念，為以后分析化工過程中的能量轉化、傳遞、使用和損失情況，改進工藝過程，提高能量利用率指出方向和方法奠定基礎。思考：（1）在冬天用電爐取暖和制熱空調(diào)取暖，哪種方式的效率更高？（2）試分析以下火力發(fā)電過程。總能量分析有效能分析其它6.4.1有效能與無效能的概念(1)能量的分類按可轉化為有用功的能力，分為三類：⑴高(品）質(zhì)能量：理論上能完全轉化為有用功的能量。如電能、機械能；⑵僵態(tài)能量：理論上不能轉化為有用功的能量。如海水、地殼、環(huán)境狀態(tài)下的能量；⑶低（品）質(zhì)能量：能部分轉化為有用功的能量。如熱量和以熱量形式傳遞的能量。

6.4.1有效能與無效能的概念為了衡量能量的可利用程度或比較體系在不同狀態(tài)下可用于作功的能量大小，Keenen在1932年提出了有效能的概念。有效能：一定形式的能量,可逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)相平衡時,理論上所能做出的最大有用功。常用B或Ex表示；無效能：理論上不能轉化為功的能量。常用El表示。推論高質(zhì)能量=有效能僵態(tài)能量=無效能低質(zhì)能量=有效能+無效能。

(1)機械能、電能的有效能機械能和電能全部是有效能，即

EX=W（2）物理有效能

物理有效能是指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的有效能?；み^程中主要涉及：與熱量傳遞有關的加熱、冷卻、冷凝過程（熱有效能）；與壓力變化有關的壓縮、膨脹等過程（壓力有效能）。6.4.2有效能的形式（3）化學有效能

處于環(huán)境溫度與壓力下的系統(tǒng)，與環(huán)境之間進行物質(zhì)交換或化學反應，最后達到與環(huán)境平衡時，所能做的最大有用功。在計算化學有效能時不但要確定環(huán)境的溫度和壓力，而且要指定基準物和濃度。

6.4.3理想功、損失功理想功：系統(tǒng)的狀態(tài)變化以完全可逆方式完成，理論上產(chǎn)生最大功或者消耗最小功。所謂的完全可逆，指的是不僅系統(tǒng)內(nèi)的所有變化是完全可逆的，而且系統(tǒng)和環(huán)境之間的能量交換，例如傳熱過程也是可逆的。環(huán)境通常是指大氣溫度T0和壓力P0=0.1013MPa的狀態(tài)。理想功是一個理想的極限值，可作為實際功的比較標準。1理想功的定義

穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式為：

假定過程是完全可逆的，而且系統(tǒng)所處的環(huán)境可認為是—個溫度為T0的恒溫熱源。根據(jù)熱力學第二定律，系統(tǒng)與環(huán)境之間的可逆?zhèn)鳠崃繛镼rev=T0ΔS體系忽略動能和勢能變化2穩(wěn)態(tài)流動體系理想功計算公式的推導穩(wěn)流過程的理想功只與狀態(tài)變化有關，即與初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0有關，而與變化的途徑無關。也就是說，只要初、終態(tài)以及環(huán)境溫度T0相同，無論是否可逆過程，其理想功相同。理想功與軸功的區(qū)別：理想功是完全可逆過程所作的功，它在與環(huán)境換熱Q過程中使用卡諾熱機作可逆功。若對外做功，WidWs若對內(nèi)做功，Wid

Ws3理想功的特點例1例2

4損失功的定義

系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，不可逆過程的實際功與完全可逆過程的理想功之差稱為損失功。5穩(wěn)態(tài)流動過程損失功由于環(huán)境可視為恒溫熱源，Q相對環(huán)境而言，是可逆熱，但是用于環(huán)境時為負號，即-Q＝T0ΔS0。根據(jù)熱力學第二定律，ΔS總≥0，所以實際過程總是有損失功的，過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功也越大。損失功不是狀態(tài)函數(shù)，與過程有關。損失的功轉化為熱，使系統(tǒng)作功本領下降，因此，不可逆過程都是有代價的。6損失功的特征6.4.4有效能的計算有效能：在一定狀態(tài)下，系統(tǒng)從該狀態(tài)變化到基態(tài)（環(huán)境狀態(tài)）過程所作的理想功。穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過程的理想功為：

當系統(tǒng)由任意狀態(tài)(P,T)變到基態(tài)(T0,P0)時穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能EX為:變溫過程的熱有效能

A熱有效能溫度為T的恒溫熱源的熱量Q,其有效能按卡諾熱機所能做的最大功計算：

B

壓力有效能對于理想氣體每摩爾理想氣體的壓力有效能為6.4.5理想功與有效能的區(qū)別和聯(lián)系理想功與有效能的區(qū)別（1）終態(tài)不一定相同，理想功的終態(tài)不確定，而有效能的終態(tài)為環(huán)境狀態(tài)；（2）研究對象不同，理想功是對兩個狀態(tài)而言，可正可負，而有效能是對某一狀態(tài)而言，與環(huán)境有關，只為正值。小結本節(jié)主要介紹了有效能、無效能、理想功和損失功四個概念；主要學習了有效能、理想功和損失功的計算方法并比較了理想功和有效能之間的區(qū)別和聯(lián)系。作業(yè)1.思考題：在化工生產(chǎn)過程中，為了提高能量的利用率，應如何利用化工廠的低壓乏汽和熱水？采用什么途徑可以將化石燃料轉化為電能時，不受卡諾效率的限制？2.P172計算題的第3小題例1計算穩(wěn)態(tài)流動過程中N2從813K、4.052MPa變到373K、1.013MPa時可做的理想功。（可視N2為理想氣體）

N2的等壓熱容Cp=27.89+4.271×10-3TkJ/(kmol·K),T0=293K。解：例2

求298K，0.1013MPa的水變成273K和同壓力下的冰的過程的理想功。設環(huán)境溫度分別為(1)298K；(2)248K。解：忽略壓力的影響。查得有關數(shù)據(jù)狀態(tài)溫度/K焓/(kJ/kg)熵/(kJ/(kg·K))H2O(l)298104.80.3666H2O(s)273-334.9-1.2265(1)環(huán)境溫度為298K，高于冰點時表明若使水變成冰，需用冰機，理論上應消耗的最小功為35.04kJ/kg。(2)環(huán)境溫度為248K，低于冰點時

當環(huán)境溫度低于冰點時，水變成冰，不僅不需要消耗外功，而且理論上可以回收的最大功為44.61kJ/kg。

此例進一步表明:理想功不僅與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關，而且與環(huán)境溫度有關。例3比較l.013MPa、6.868MPa、8.611MPa的飽和蒸汽以及1.013MPa，573K的過熱蒸氣的有效能大小。取環(huán)境狀態(tài)P＝0.1013MPa、T0＝298.15K，并就計算結果對蒸氣的合理利用加以討論。解：

P/MPaT/K(H-H0)/kJ/kg(S-S0)/kJ/kg/KEx/kJ/kg水

0.1013298.15飽和